La contraction musculaire est contrôlée par des récepteurs dans les membranes des cellules musculaires qui répondent au neurotransmetteur acétylcholine lorsqu’il est libéré par les motoneurones. Les récepteurs de l’acétylcholine se trouvent également sur les neurones, où ils remplissent diverses fonctions importantes, notamment la modulation de la cognition et de la dépendance. Dans une nouvelle étude publiée dans PLoS Biology, Yishi Jin et ses collègues ont identifié et caractérisé un récepteur neuronal de l’acétylcholine chez le Caenorhabditis elegans, qui permet à ce minuscule ver de se déplacer. Le récepteur régule l’équilibre entre l’excitation et l’inhibition dans les muscles, et contribue ainsi à la contraction et à la relaxation coordonnées des muscles sur les côtés opposés du corps, ce qui entraîne la locomotion.
Un récepteur d’acétylcholine est constitué de cinq sous-unités, et il existe de nombreux types de sous-unités (29 chez C. elegans) à partir desquelles un récepteur peut être assemblé. La composition des sous-unités d’un récepteur et, en particulier, de son pore transmembranaire, qui est garni d’un domaine transmembranaire de chaque sous-unité, détermine la façon dont il répond à l’acétylcholine et les effets de cette réponse sur la cellule. En raison du nombre de combinaisons possibles de sous-unités, il est très difficile d’identifier la composition spécifique à la cellule d’un récepteur d’acétylcholine.
Dans cette étude, les auteurs ont commencé par identifier une souche mutante de C. elegans dans laquelle les muscles étaient surstimulés, ce qui entraînait un « rétrécissement » des vers, tous leurs muscles se contractant lorsqu’ils étaient touchés. La caractérisation moléculaire de la mutation a révélé qu’il s’agissait d’une mutation activatrice dans une sous-unité du récepteur d’acétylcholine appelée ACR-2. Plus précisément, la mutation se trouve dans le domaine transmembranaire formant le pore, dans une position qui est censée influencer la sélectivité ionique du canal.
Lorsque les auteurs ont utilisé des gènes rapporteurs dans lesquels les protéines fluorescentes étaient contrôlées par le promoteur acr-2, ils ont découvert que la sous-unité ACR-2 est exprimée dans les motoneurones cholinergiques de la corde ventrale du ver. L’expression de l’acr-2 de type sauvage ou d’un « mini-gène » contenant une partie du gène dans les vers mutants a inversé le défaut de « rétrécissement », confirmant que le défaut résultait de la mutation de l’acr-2. Les vers dans lesquels acr-2 contenait une perte de fonction ou une mutation nulle ne présentent pas d’hypercontraction des muscles, mais se déplacent plutôt lentement, et l’analyse électrophysiologique a montré que la libération d’acétylcholine par les neurones moteurs était réduite chez ces animaux.
Dans les vers avec la mutation activatrice d’acr-2, la libération d’acétylcholine par les neurones moteurs était augmentée. De plus, la neurotransmission des motoneurones inhibiteurs libérant du GABA était réduite. Cependant, l’ACR-2 n’est pas présent dans les neurones GABAergiques, de sorte que cette réduction de la neurotransmission GABA est probablement un résultat indirect des effets de la mutation sur les neurones cholinergiques.
Pour savoir quelles autres sous-unités se combinent avec l’ACR-2 pour constituer un récepteur fonctionnel sur les motoneurones cholinergiques, les auteurs ont recherché des mutations dans d’autres gènes qui supprimaient les effets de la mutation acr-2 activatrice. Plusieurs mutations de ce type ont été trouvées, et la plupart d’entre elles étaient liées à trois autres gènes de sous-unités du récepteur de l’acétylcholine – Acr-12, unc-38 et unc-63. D’autres mutations suppressives ont cartographié les gènes nécessaires au transport du récepteur de l’acétylcholine vers la surface cellulaire.
Pour confirmer la composition en sous-unités du récepteur de l’acétylcholine, les auteurs ont reconstitué le récepteur dans des ovocytes de Xenopus et ont découvert qu’en plus des sous-unités ACR-2, ACR-12, UNC-38 et UNC-63, le récepteur fonctionnel nécessitait également l’ACR-3. Le gène acr-3 est très proche de l’acr-2, de sorte que les deux sous-unités sont probablement coexprimées.
Ensemble, ces résultats montrent que le récepteur neuronal de l’acétylcholine ACR-2 gère l’interaction entre l’excitation et l’inhibition dans les muscles chez C. elegans. Ils démontrent également qu’une mutation de type gain de fonction dans le domaine de formation du pore d’une sous-unité du récepteur peut influencer la fonction pharmacologique du canal du récepteur de sorte que la libération de l’émetteur par le neurone porteur du récepteur est augmentée. Enfin, les auteurs montrent comment l’analyse des mutations suppressives peut être utilisée pour relever le défi de définir la composition en sous-unités d’un récepteur hétéromérique.
Une étude plus approfondie de la façon dont l’ACR-2 module l’excitation et l’inhibition des muscles pourrait donner un aperçu de la façon dont cet équilibre est maintenu dans d’autres contextes neuronaux, et comment il peut être perturbé, par exemple dans certaines formes d’épilepsie. Il sera particulièrement intéressant d’étudier comment une mutation activatrice d’un récepteur sur un neurone cholinergique peut influencer l’activité des neurones GABAergiques qui ne portent pas le canal muté.
Jospin M, Qi YB, Stawicki TM, Boulin T, Schuske KR, et al. (2009) A Neuronal Acetylcholine Receptor Regulates the Balance of Muscle Excitation and Inhibition in C. elegans. doi:10.1371/journal.pbio.1000265